深厚软土区CMP桩与CFG桩组合桩型复合地基工作特性研究

李龙起，罗书学

(西南交通大学 土木工程学院，成都 610031)

CFG桩复合地基近年来已经在铁路工程中得到广泛应用［1］。随着工程实践的深入，更为复杂的地质条件不断涌现，对沉降的控制也越来越严格，单纯使用CFG桩往往难以满足工程要求，于是出现了将CFG桩与其它桩型进行联合使用的地基处理形式［2-4］。目前相关地基处理技术规范中主要针对单一形式的处理技术［5］，对于采用组合型地基处理方法尚未涉及。国内外研究较多的是将CFG桩与刚性桩联合使用的复合地基处理技术，对于 CFG桩与柔性桩(如 CMP)联用的复合地基的研究尚未见报道。而在该种形式的复合地基中，由于桩体之间和桩土之间的相互作用机制复杂，导致工程人员对于不同桩体间的工作特性等了解不够。

本文针对哈大客运专线某路基段地基处理工程，研究了此种复合地基中CMP桩和CFG桩的不同作用，分析了加固后复合地基中土体特性的变化，所得结果对于指导客运专线建设具有参考意义。

1 工程概况

在建的哈大客运专线跨越深厚软土区，软土层厚度60 m左右(如图1所示)，路基填筑高度6.0～6.3 m。设计采用了CFG桩和CMP联用的复合地基处理方案，即以梅花形布置形式为基础，在距离线路中心18 m范围内设置CMP桩，桩长为12.0 m，桩径0.5 m，桩间距为1.5 m。在 CMP桩间设置桩长为30 m的CFG桩，桩径和桩间距同 CMP桩。经过处理后的CMP复合地基的承载力要求不小于150 kPa，CFG桩单桩承载力特征值要求不小于800 kN。CFG桩桩体强度等级相当于 C20，CMP桩采用水泥掺量14% ～15%的水泥土就地搅拌。

图1 试验段地质柱状图

2 研究方法

2.1 数值模型的建立

建模时采用平面应变模型，并取用中线右侧部分进行分析。计算中水平向取路堤填筑宽度的3倍左右，约58 m，竖向取 CFG桩桩长的2倍约60 m，通过反复试算，在地表以下60 m左右的附加应力已远小于自重应力的0.2倍，故采用此计算范围是合理的。在计算中，土体采用15节点的Gauss三角形平面单元进行离散，CFG桩和CMP桩采用基于Mindlin梁理论的5节点桩单元进行离散化，模型共使用了2 757个单元及25 690个节点(见图2)。模型的侧面约束侧向位移，底部约束竖向位移，顶部取为荷载已知的应力边界。

图2 有限元模型

2.2 材料参数的选取

根据相关资料［6-10］，钢筋混凝土板、CFG 桩和CMP桩在软土区承受上部路基荷载时均作用在弹性范围内，因此在本数值模拟中将其均取为弹性材料。考虑褥垫层和地基土弹塑性破坏特性，在计算中选取Mohr-Coulomb准则作为屈服判别准则。

考虑到桩土之间的刚度差异较大，可能发生脱离现象，因此在桩土之间设置 Interface接触单元，参照Plaxis使用手册，接触面折减参数 Rinter取为0.7，并采用Coulomb准则来判断弹性和塑性变形行为。模型基本参数取值见表1。

表1 土层计算参数

3 结果分析

3.1 复合地基受力分析

3.1.1 CFG桩桩身受力分析

不同位置处CFG桩桩身的竖向附加应力分布图如图3所示。由图3可知，在桩顶以下5 m范围内，桩身的附加应力随深度增加略有增大，最大值距桩顶端约1/6桩长，在5～20 m范围内基本不变，达到20 m之后该值衰减较为明显。产生这种现象的原因可做如下解释:在地面以下7 m范围内的土体的力学性质较差，桩周土体沉降较大对桩体施加额外的附加应力导致其略有增大，地面以下25～30 m范围内土的工程力学性质相对于上部土层较好，导致桩身附加应力衰减的速率加快。

图3 CFG桩桩身附加应力曲线

3.1.2 CMP桩受力分析

如图4所示，在路基填筑荷载影响下，不同位置处的CMP桩桩身附加应力值基本相同，其分布规律表现为:桩顶应力最大，随着桩深的增加，在桩顶以下0～2 m范围以内附加应力急剧减小，然后趋于缓和，整体呈现出附加应力上部大，中下部小的分布特点。此外与图3比较可知，CMP桩的桩身附加应力要比CFG桩小2个量级。由此可见，与 CFG桩桩身附加应力相比，CMP桩承受的附加应力较小，桩土协调工作能力较CFG桩明显提高，CFG桩是应力扩散的主体，CMP桩的作用主要是改善浅表层流塑状土，保证CFG桩的成桩质量。

图4 CMP桩桩身附加应力曲线

3.1.3 桩间土受力分析

线路中心处桩间土附加应力随土层深度的变化规律如图5所示。由图5可知，在CFG桩桩长范围内(0～30 m)，受桩土刚度巨大差异的影响，绝大部分荷载由CFG桩所承担，桩间土附加应力非常小，其值不足10 kPa，且变化幅度很小;在桩端附近，桩间土附加应力急剧增加，最大值约达到了110 kPa;此后随着深度的增加，桩间土附加应力又逐渐减小，基本上呈线性分布，待深度到达60 m时，附加应力值减小至约70 kPa，这种效应类似于静力触探中的“超前滞后”效应。这种现象可以解释为:在地面以下约27 m范围之内，上部荷载传来的附加应力主要由CFG桩直接向地基深部传递，桩间土的附加应力值较小，在接近桩端处，CFG桩的附加应力向周围的土体中扩散，引起桩端处土体附加应力迅速增大，该种工作性状类似于实体深基础。

图5 路基中心处桩间土附加应力与土层深度关系曲线

3.2 复合地基变形分析

图6为不同位置处的竖向沉降曲线图。从图上可以看出，实测地基的最终最大总竖向变形约72 mm，其中CFG桩加固区变形约16 mm，下卧层变形约56 mm。说明地基变形主要由下卧层的变形引起，其所占比例约78%。在加固区范围内，中心处地面以下5 m范围内的土体沉降相对于5～30 m加固区的沉降要大，这主要是由于在此范围内应力较大并且存在淤泥质黏土，土体力学性质较差，受力后产生较大的塑性变形所致，随着离线路中心距离的增加，这种现象逐渐变得不明显，这主要是由于临近坡脚处上部荷载较小的缘故，说明在地表浅层的力学性质较差的土体压缩沉降特性主要与上部荷载有关。

图6 各纵断面上地基竖向沉降变形曲线

图7给出了不同高程上各水平剖面的地基竖向变形曲线图。由图7可知，在路基填筑影响下，地基形成了沉降盆，在线路中线处竖向变形最大，远离中线，沉降减小，在距中线大约50 m的位置，沉降变形已接近于0，这表明离线路中线约50 m的范围内为沉降变形影响区域。此外比较不同高程处的沉降变形曲线可以看出，在CFG桩加固深度范围内，由于水平方向土体综合刚度的差异，沉降盆变化幅度较大，而在CFG桩加固深度以外，土层在水平向的刚度基本一致，沉降盆变化幅度相对较小。在桩顶褥垫层处，桩的“刺入”现象较为明显，而在桩端处这种现象不太明显。

图7 各水平剖面上地基总变形曲线

4 结论

本文结合我国哈大客运专线某地基处理工程，研究了CFG桩和CMP桩组合桩型复合地基的受力和变形特性，通过研究得出了以下结论:

1)组合桩型复合地基中主要是CFG桩承受上部路基填土传来的荷载，CMP桩对于提高地基承载力的贡献有限，其主要贡献是改善流塑状土的工程特性，便于CFG桩的施工。

2)无论是CFG桩还是CMP桩，其附加应力均沿桩身呈现衰减的趋势，而桩间土在加固区范围内附加应力变化较小，在下卧层范围内则衰减迅速，说明下卧层是承受应力扩散的主体部分。

3)复合地基的竖向变形主要发生在下卧层中，通过计算结合现场试验，本工点的下卧层沉降变形约占总沉降的78%。

4)复合地基在水平方向呈“沉降盆”状分布，在地面处的差异沉降变形大，在桩端处的差异沉降变形较小，说明在褥垫层中桩体的上端“刺入”现象较为明显，而在下卧层中的“刺入”现象则较小。

［1］阎明礼，张东刚.CFG桩复合地基技术及工程实践［M］.北京:中国水利出版社，2001:60-86.

［2］王士杰，何满潮，朱常志，等.GC与CFG桩组合桩型复合地基承载特性研究［J］.岩土力学，2008，29(10):2632-2636.

［3］杨生彬，邵卫信，王吉元.CFG桩复合地基受力性状三维数值模拟研究［J］.岩土力学，2008，29(12):3431-3436.

［4］李卫民，常青.低能级强夯+CFG桩复合地基处理新填土地基［J］.岩土力学，2009，30(增 2):354-357.

［5］中华人民共和国建设部.JGJ94—2008 建筑桩基技术规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2008.

［6］ZHENG Junjie，ABUSHARAR S W，WANG Xianzhi.Threedimensionalnonlinear finite element modeling of composite foundation formed by CFG-lime piles［J］.Computers and Geotechnics，2008，35:637-643.

［7］XIE Kanghe，LU Mengmeng，HU Anfeng，et al.A general theoretical solution for the consolidation of a composite foundation［J］.Computers and Geotechnics，2009，36(1 － 2):24-30.

［8］舒玉，严战友，刘红峰.高速铁路 CFG桩承载力试验分析［J］.铁道建筑，2010(2):55-57.

［9］段晓沛，曹新文，李芳芳.不同褥垫层厚度 CFG桩复合地基室内模型试验研究［J］.铁道建筑，2010(9):81-83.

［10］赵永刚，李粮纲，余雷.水泥搅拌桩粉喷法和浆喷法处理软土路基研究［J］.铁道建筑，2009(9):79-81.